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1  引言

    在工業控制領域，傳統的PID控制策略已經無法滿足日益提高的工藝精度要求和質量要求。同時，各主要DCS控制系統提供商都沒有及時推出經濟有效的、有著復雜控制算法的新產品。這一矛盾促使各生產廠家和控制系統設計人員積極探求折中的設計方案。本文就是在這樣的背景下，結合實際控制項目，設計了基于DDE機理的WinCC和Matlab的網絡通訊。

    WinCC是視窗控制中心（Windows Control Center）的簡稱，是西門子公司在過程自動化領域中的先進技術和微軟公司強大軟件功能相結合的產物。其重要特性之一是全面開放的體系結構，各系統集成商可用WinCC作為其系統擴展的基礎，通過開放接口開發自己的應用軟件。同時WinCC還提供多種PLC的驅動軟件，使不同廠家的PLC與上位機的連接變得簡單方便。正因如此，WinCC一直是工業控制領域最常用的組態軟件之一。

    Matlab是MathWorks公司于1984年推出的一套高性能的數值計算軟件，它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便、界面友好的用戶環境[1]。同時，自由開放的ToolBox（工具箱）結構，極大地方便了不同學科的使用者開發出求解特定學科問題的新算法、新工具，從而使Matlab本身得到了豐富和補充。由于Matlab具有如此多的優點，它已經成為線性代數、自動控制理論、數理統計、數字信號處理、時間序列分析、動態系統仿真等領域的重要工具。

    WinCC在工業控制領域的通用性和Matlab在數值計算、控制策略上的優越性的統一，無疑會給復雜高級控制算法在工業控制中的實際應用提供一條新的有效途徑。同時，在提高控制精度，滿足用戶工藝要求的基礎上，大大降低了生產成本。

2  WinCC、Matlab通訊功能

(1)  WinCC通訊功能

    WinCC作為工業控制組態軟件提供了多種控制網絡的通訊方式，主要包括：MPI、PROFIBUS、工業以太網、OPC等[6]。各種通訊方式因硬件支持程度、通訊速率和連接站點多少的不同而有不同的優缺點和適用范圍。

    WinCC作為運行在Windows平臺上的軟件，同樣支持著多種軟件間的通訊方式，其中以OPC和DDE最為普遍。

    OPC（用于過程控制的OLE）由OPC基金會定義，主要適用于不同制造商的通訊產品和應用程序之間的通訊，它描述了一個統一的、獨立于制造商以及基于Windows OLE（對象鏈接和嵌入）、COM（組件對象模塊）和DCOM（分布式組件對象模塊）技術的軟件界面。WinCC全面支持OPC通訊，它可以作為OPC服務器或OPC客戶機與其他應用程序進行數據交換。WinCC的OPC通訊脫離了網絡協議的限制，通訊質量可靠。

    DDE是一種Windows平臺下的通訊方式。由于多數軟件都支持DDE通訊，所以DDE通訊已經成為WinCC和其他軟件最主要的通訊方式。

(2)  Matlab通訊功能

    Matlab作為Windows平臺下最主要的數值計算軟件之一[3]，它支持幾乎所有的Windows應用程序間數據共享方式，例如剪貼板數據共享、DDE、OLE和DLLs（動態數據鏈接庫）等。同時，Matlab還支持多種計算機間的通訊協議，如TCP/IP、RS-232等等。除此以外，Matlab對C語言的全方位支持，也為用戶使用C語言開發符合實際需要的數據共享、通訊方式提供了方便。

    就硬件支持而言，Matlab只支持部分板卡，而且與多數PLC無法進行直接通訊，這些不足限制了Matlab在工業控制領域中的應用。

3  DDE通訊機理

3.1  DDE簡介

    Windows的動態數據交換（Dynamic Data Exchange，簡稱為DDE）技術，是隨著Windows操作系統的廣泛應用而發展起來的一門新技術[4]。Windows允許用戶進行多窗口、多任務、多進程并行工作，這就產生了在各個應用程序之間動態地交換數據信息的DDE技術。在Windows環境下，DDE是進程間通訊（InterProcess Communication, 簡稱為IPC）的有效方法，進程間通訊包括進程之間和同步事件之間的數據傳遞，DDE使用共享內存來實現進程之間的數據交換以及使用DDE協議獲得傳遞數據的同步[5]。

3.2  DDE通訊機理

    Windows的DDE機制是基于Windows的消息機制[2]。兩個Windows應用程序通過相互之間傳遞DDE消息進行DDE會話（Conversation），從而完成數據的請求、應答、傳輸。這兩個應用程序分別稱為服務器（Server）和客戶（Client）。服務器是數據的提供者，客戶是數據的請求和接受者，當然，服務器和客戶之間數據的傳輸并不是單向的，而是以應答的方式實現雙向流動的。

    DDE會話由客戶程序啟動。客戶程序把一條消息（WM_DDE_INITIATE）傳播給當前運行的所有Windows程序。這條消息指明了客戶程序所需要的一般數據，主要包括：應用程序名（Application）、主題名（Topic）和項目名（Item）。擁有這些數據的DDE服務器可以響應這條被傳播的消息。此時，DDE會話就開始了。
 
    由于在每個主題中，DDE服務器可以支持一個或多個數據項，所以在客戶請求數據時應同時指明應用程序名、主題名和項目名。應用程序、主題、項目是DDE中三個最基本的概念。

    DDE有三種會話方式，別為冷鏈接（Cold Link）、熱鏈接（Hot Link）和溫鏈接（Warm Link）[4]。

(1)  冷鏈接

    由客戶程序傳播一條啟動觸發消息來開始冷鏈接，則服務器程序向客戶程序提供一次數據。當客戶還需要服務器提供更多次的數據時，客戶程序必須重新傳播啟動觸發消息。

(2)  熱鏈接

    服務器程序已經被訪問的數據可能會隨著時間的推移而發生變化，在冷鏈接中，如果客戶不傳播啟動觸發消息，則變化了的數據不會傳給客戶；在熱鏈接中，服務器會自動將變化了的數據傳送給客戶。

(3)  溫鏈接

    溫鏈接綜合了熱鏈接和冷鏈接的特點，客戶只希望被通知數據是否發生了變化而不一定要立刻得到新的數據，只有當客戶知道數據發生了變化并需要獲得它時，再啟動與冷鏈接相同的會話。

4  WinCC與Matlab的DDE網絡通訊設置及應用實例

(1)  WinCC下網絡DDE服務器的設置

    首先，啟動WinCC的DDE服務器。DDE服務器（Ddeserv.exe）一般位于WinCC的安裝路徑上。在啟動程序中添加應用程序“\Siemens\WinCC\bin\Ddeserv.exe”，啟動參數為“/v /nohold /noconfirm”。然后激活該項目，在激活過程中，會自動彈出DDE服務器的對話框，從該對話框中的變量列表（Tag list）選擇想要共享的變量即可。

(2)  網絡DDE（NetDDE）服務的設置

    在DDE網絡數據通訊中，服務器和客戶機都必須啟動其NetDDE服務。具體做法是：在控制面板中啟動“服務”，找到“Network DDE”項，雙擊打開。如果WinCC安裝的是多用戶系統，則設置啟動類型為“手動”，在激活項目時會自動啟動該服務；如果安裝的是單用戶系統，則設置啟動類型為“自動”，在每次開機時都會自動啟動。

(3)  DDE共享的建立

    操作系統的默認DDE共享一般只有Chat、CLPBK和Hearts，有必要給WinCC新建一個DDE共享服務。在“運行”對話框中輸入“DDEShare.exe”，打開DDE共享窗口，選擇進入“DDE共享”子窗口，添加共享。設定共享名（例如“WinCCPro”），應用程序名靜態欄設為“WinCC”，設定主題名（例如“Project”）。退回到主窗口后把新建的WinCCPro共享設為“信任共享”。這樣，一個新的WinCC的網絡DDE共享就建立好了。
完成以上三步之后，WinCC作為DDE網絡服務器就可以正常進行數據提供了。

(4)  Matlab對DDE的支持

    Matlab支持DDE的熱鏈接和溫鏈接。作為客戶端，Matlab提供了有關DDE的一些基本函數：
ddeadv():與服務器應用程序之間建立溫鏈接（在Matlab下名為advisory link）；
ddeexec():發出執行命令給服務器應用程序；
ddeinit():初始化Matlab與服務器應用程序之間的DDE會話；
ddepoke():Matlab發送數據給DDE服務器應用程序；
ddereq():從服務器應用程序請求數據；
ddeterm():在Matlab與服務器應用程序之間終止DDE會話；
ddeunadv():在Matlab與服務器應用程序之間釋放溫鏈接。

    應用上面的基本函數，編寫M文件，再在Command Window下運行該M文件，就可以和WinCC的DDE服務器端實現數據交換。

(5)  使用實例

    在某造紙廠流送部DCS中，下層模塊采用的是西門子的S7-300系列PLC，上層組態軟件采用西門子的WinCC 5.0。PLC負責現場數據的采集、濾波、標度變換和PID運算，WinCC主要實現各控制回路的PID參數的設置、以及各過程量的趨勢顯示、打印、報表等等。為了優化工藝、提高控制精度，要求各PID回路能夠實現協作，即在PID控制的基礎上實現高級過程控制算法。從節約成本和系統運行穩定性綜合考慮，放棄了WinCC和Matlab運行在同一臺計算機上的方案，采用單機運行Matlab離散設定WinCC下的各PID參數的方案。系統結構如圖1所示。

按照本文上述的步驟設定好WinCC的DDE服務器，在Matlab下編寫M文件：
channel = ddeinit('\\server\ndde$', 'WinCCPro');
%和局域網內名為server的計算機下的WinCCPro網絡DDE服務器進行通訊初始化；
tag = 'LT-010';
%指定要訪問的目標為變量LT-010；
ddereq(channel, tag, h);
%從服務器上獲得變量LT-010的當前值，并把該值賦給Matlab下的變量h；
ddeadv(channel, tag, ‘disp(h)’, 'h');
%把服務器上的LT-010和變量h之間建立advisory link，并顯示當前h的值；
……

    把這個M文件在Command Window下運行，即可得到變量LT-010的值，并顯示出來。當變量LT-010的值發生變化時，Matlab會自動讀取新值給變量h，同時也顯示出來。照這個步驟，就可以把WinCC的DDE服務器上所需要的過程值和Matlab下的變量建立鏈接。這樣就可以利用Matlab自帶的強大的數據分析和控制策略來實現各種高級過程控制，從而優化各PID的協同工作。通過高級算法得到的下層PID參數用以下語句就可以回傳到WinCC里：
……

ddepoke(channel, ‘Gain’, pset,);
%把Matlab下的變量pset賦給WinCC下的變量Gain；
……

要結束WinCC和Matlab的DDE通訊，只需再執行以下語句即可：
ddeunadv(channel, tag);
%釋放已建立的advisory link；
ddeterm(channel);
%結束本次DDE會話。

5  結論

(1)  在總結WinCC和Matlab通訊功能的基礎上，分析了DDE通訊機制的特點，提出了兩者數據共享的新方法。

(2)  WinCC和Matlab數據共享功能的實現，突破了硬件支持不力對Matlab實際應用的限制。

(3)  通過在造紙廠控制系統的應用，驗證了本通訊方法的有效性。同時Matlab下的高級算法通過WinCC在工業生產中的應用，極大地提高了控制精度和工藝質量，為后續研究奠定了基礎。